môC LôC
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1 KHÁI QUÁT VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
1.2. THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN KHẢ TRÌNH (PLC)
1.3 Hệ SIMATIC PLC S7-300.
1.3.1 PLC là gì?
1.3.2. Nguyên lý chung và cấu trúc bộ PLC.
1.3.3. Hệ PLC S7-300.
1.3.4. Các modul của PLC S7-300.
1.3.4.1. Modul CPU
1.3.4.2 Modul mở rộng.
1.4 PHẦN MỀM STEP – 7
1.4.2 Bộ chương trình STEP7 chuẩn (STEP7 Standard Package)
Chức năng quản lý (SIMATIC Manager)
Chức năng sắp xếp biểu tượng (Symbol Editor).
Chuẩn đoán lỗi phần cứng.
Ngôn ngữ lập trình.
Đặt cấu hình phần cứng (Hardware Configuration).
CHƯƠNG II: MODULE ĐIỀU KHIỂN MỀM TRONG STEP 7.
2.1 MODUL ĐIỀU KHIỂN LIÊN TỤC VỚI FB41 “CONT_C”.
2.1.1 Giới thiệu chung về khối FB41.
2.1.2.Tham biến hình thức đầu vào của FB 41.
2.1.3. Tham biến đầu ra của FB41 “CON_C”
2.1.2 Khai báo tham số cho bộ điều khiển PID.
1
1
Dead Band
Tham số bộ PID (PID Parameter)
Manipulative Variable
2.2 MODUL ĐIỀU KHIỂN BƯỚC FB42 “CONT_S”.

Nguyên lý chung của phương pháp.
C. Phương pháp Chien- Hrones- Reswick.
C. Phương pháp bù hằng số thời gian tổng của Kuhn
3.1.3.2. Thiết kế bộ điều khiển dựa trên miền tần số
3.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID BẰNG MODULE MỀM TRONG
HỆ SIMATIC S7-300
3.2.1. Các khối hàm đọc tín hiệu tương tự (Analog)
3.2.1.1 Khối đọc giá trị tương tự FB 105
Mô tả và chỉ dẫn.
Xử lý sự cố
3.2.1.2 Khối đọc giá trị tương tự FB 106
Ký hiệu
Kích thước
Mô tả và chỉ dẫn
Xử lý sự cố
3.2.1.3 Khối đọc giá trị tương tự FB 107
Ký hiệu
Kích thước
Mô tả và chỉ dẫn.
Xử lý sự cố
3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển PID bằng module mềm FB 41 “CONT_C”
3.3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID TRÊN CƠ SỞ HỆ LOGIC MỜ
3
3
3.2.1. Bộ điều khiển mờ
3.2.1.1. Cấu trúc bộ điều khiển mờ
3.2.1.2. Các bước thiết kế bộ điều khiển mờ.
A. Bộ điều khiển mờ tĩnh
B. Bộ điều khiển mờ động.
3.2.2. Chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID.

nhằm đảm bảo được các chỉ tiêu chất lượng đã đề ra cho hệ thống.
Đặc biệt các thiết bị điều khiển logic khả trình PLC của hãng SIEMENS
hiện nay đang được dùng khá phổ biến ở nước ta hiện nay. Việc nghiên cứu
khai thác triệt để những tính năng của chúng trong kỹ thuật điều khiển là rất
cần thiết, nó cho phép chúng ta thực hiện được nhiều bài toán điều khiển mà
không cần tăng thêm chi phí đầu tư cho thiết bị.
Nội dung đề tài đề cập vào một số vấn đề sau:
• Nghiên cứu thiết bị điều khiển logic khả trình PLC và phần mềm STEP7
của hệ PLC SIMATIC S7-300 (Chương I).
• Nghiên cứu đặc điểm, cấu trúc, nguyên lý làm việc, các tham số đầu vào
đầu ra của các module mềm PID controller tích hợp sẵn trong STEP7:
FB41, FB42, FB43 (chương II).
• Nghiên cứu cơ sở thuật toán để thiết kế một số thuật toán điều khiển quá
trình trên cơ sở các module mềm trong hệ SIMATIC S7-300: Bộ điều
khiển PID với khối FB41, bộ điều khiển PID với khối FB43 (chương III).
• Thí nghiệm kiểm chứng trên bộ thí nghiệm điều khiển lò điện trở, so sanh
với một số bộ điều khiển khác. Từ đó rút ra kết luận thực tiễn và những đề
xuất kiến nghị (chương IV).
5
5
CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1 KHÁI QUÁT VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
Điều khiển trong kỹ thuật được hiểu là khoa học nghiên cứu về quá trình
thu thập, xử lý tín hiệu và điều khiển các quá trình và hệ thống thiết bị kỹ
thuật. Hệ thống điều khiển mà không có sự tham gia trực tiếp của con người
được gọi là hệ thống điều khiển tự động.
Điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động
trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo
chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và đảm bảo an toàn cho con người,
máy móc và môi trường.

Bộ
điều khiển
So sánh
Hệ đo
ra
Hình 1.3 Hệ thống điều khiển vòng kín
Những năm 1940 của thế kỷ XX, cơ sở lý thuyết điều khiển tự động được
hình thành. Khi đó, các phương pháp khảo sát hệ “một đầu vào, một đầu ra -
SISO”. Vào cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950 phương pháp đồ thị
nghiệm của Evans đã được hoàn thiện. Giai đoạn này được coi là “điều khiển
cổ điển”.
Đến những năm 1960, là giai đoạn phát triển của kỹ thuật điều khiển
được gọi là “điều khiển hiện đại” (Modern Control). Hệ kỹ thuật ngày càng trở
nên phức tạp, có “nhiều đầu vào, nhiều đầu ra - MIMO”.
Bắt đầu từ những năm 1980, xuất hiện “kỹ thuật điều khiển bền vững hệ
đa biến” . Trong hai thập kỷ cuối, nhiều nhánh mới về điều khiển cũng đã hình
thành, đó là: thích nghi, phi tuyến, hổn hợp, mờ và neural.
7
7
1.2. THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN KHẢ TRÌNH (PLC)
Ngày nay, các hệ thống điều khiển tự động sử dụng thiết bị điều khiển
khả trình (Programable Logic Controller- PLC) ngày càng phổ biến. Với
những tính năng ưu việt như: cấu trúc nhỏ gọn, tốc độ xử lý thời gian thực
cao, nhiều chức năng điều khiển, có độ mềm dẻo sử dụng rất cao, cộng với
khả năng kết nối với các thiết bị điều khiển, theo dõi giám sát… đã tạo cho
PLC một khả năng làm việc linh họat và hiệu quả.
1.3 Hệ SIMATIC PLC S7-300.
1.3.1 PLC là gì?
PLC (Programable Logic Controller) là loại thiết bị cho phép thực hiện
linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình thay

Một hệ thống có thể có 1 PLC hoặc gồm nhiều PLC kết qua MPI bus
Hình 1.6 Hệ thống điều khiển có một PLC
1.3.3. Hệ PLC S7-300.
Dòng Simatic S7 được sử dụng nhiều nhất trong các nhà máy xí nghiệp
trong nước. Các họ PLC của dòng simatic S7 bao gồm: S7-200, S7-300, S7-
400.
Module PS
10
10
Module CPU
Module SM
Module CP
Hình 1.8 SIMATIC S7 300/ của SIEMENS
1.3.4. Các module của PLC S7-300.
Để tăng tính sử dụng mềm dẻo trong ứng dụng thực tế, hê SIMATIC S7-
300 được chia nhỏ thành các module. Do vậy số module được sử dụng nhiều
hay ít tùy thuộc vào bài toán điều khiển. Tất các các module được gắn trên các
thanh ray (rack).
1.3.4.1. module CPU
1.3.4.2 module mở rộng.
Các module mở rộng được chia làm 5 loại chính:
a. module nguồn PS (Power Supply)
b. module cổng tín hiệu SM (Signal module):DI (Digital Input); DO
(Digital Output); DI/DO (Digital Input/Digital Output); AI (Analog Input); AO
(Analog Output); AI/AO (Analog Input/Analog Output).
c. module IM ( Interface module).
d. module FM ( Function module).
e. module CP (Communication module).
Hình 1.9 Sơ đồ kết nối các module của S7-300 trên rack
1.4 PHẦN MỀM STEP – 7

Phần mềm STEP 7 cung cấp các modul điều khiển mềm PID để điều
khiển các đối tương có mô hình liên tục như lò nhiệt, động cơ, mức…
Phụ thuộc vào cơ cấu chấp hành, ta có thể chọn được các modul mềm
PID tương thích. Ba module được tích hợp sẵn trong STEP7:
1 . Điều khiển liên tục với FB41 (tên hình thức CONT_C).
2 . Điều khiển liên tục với FB42 (tên hình thức CONT_S).
3 . Điều khiển phát xung với khối hàm hỗ trợ FB43 (tên hình thức
FULSEGEN).
2.1 MODUL ĐIỀU KHIỂN LIÊN TỤC VỚI FB41 “CONT_C”.
2.1.1 Giới thiệu chung về khối FB41.
FB41 “CONT_C” được sử dụng để điều khiển các quá trình kỹ thuật
với các biến đầu vào và đầu ra tương tự trên cơ sở thiết bị khả trình SIMATIC.
Tín hiệu chủ đạo SP_INT được nhập dưới dạng dấu phẩy động.
Chứng năng CRP_IN là chuyển đổi kiểu biểu diễn của PV_PER từ
dạng số nguyên sang dạng số thực có dấu phẩy động.
Tín hiệu ra của
27468
100
__ ×= PERPVINCRP
Chức năng chuẩn hóa (PV_NORM) để chuẩn hóa tín hiệu hàm
CRP_IN.
Ngoài ra còn nhiều chức năng khác như lọc nhiễu, chọn luật điều khiển, đặt giá
trị thay thông báo lỗi.
15
15
Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc của khối FB41.
2.1.2.Tham biến hình thức đầu vào của FB 41.
FB 41 có 27 tham biến hình tức đầu vào
2.1.3. Tham biến đầu ra của FB41 “CON_C”
FB 41 có 9 tham biến hình tức đầu ra

a. Tích cực luật tỉ lệ (Proportional Action)
Luật điều khiển tỉ lệ được tích cực khi mà P_SEL được thiết lập giá trị
TRUE
b. Tích cực tích phân (Intergal Action )
Luật tích phân được tích cực khi “I_SEL) thiết lập giá trị TRUE.
c. Tích cực luật vi phân (Deritvative Action).
Luật vi phân được tích cực khi “D_SEL” được thiết lập giá trị TRUE.
Biến thao tác (Manipulative Variable)
Nhập vào giá trị thao tác bằng tay hay cho phép bộ điều khiển ở chế độ
tự động.
a. Chế độ bằng tay (Manual Mode).
Khi vòng điều khiển mở (tham số FB MAN_ON = TRUE). Ta có thể
chèn một giá trị ở cổng vào MAN.
b. Chế độ tự động (Automatic Mode ).
18
18
Vòng điều khiển được đóng ( FB Parameter MAN_ON=FALSE).
c. Giới hạn (Limit).
Giá trị thao tác luôn bị giới hạn trên và giới hạn dưới, để tránh giá trị
không được phép qua trong quá trình.
d. Chuẩn hoá (Standardziation)
Giá trị thao tác được làm thích hợp với đầu ra như là giá trị dấu phẩy
động và giá trị ngoại vi với thể thức sau sử dụng thừa số và phần bù.
Manipulated Value= Manipulated Value*Normalization Factor +
Normalization Offset.
FB41 “CON_C” hỗ trợ một bộ chương trình phục vụ việc khởi tạo lại
hoàn toàn hệ thống.
Khối FB41 không có khả năng tự kiểm tra lỗi bên trong của modul mềm
PID.
2.2 MODUL ĐIỀU KHIỂN BƯỚC FB42 “CONT_S”.

20
20
Tham biến hình thức đầu vào của FB42.
FB42 “CON_S” có tất cả 19 tham biến đầu vào.
Tham biến hình thức đầu ra của FB42.
2.3 KHỐI TẠO HÀM XUNG: FB43 “ PULSEGEN”.
2.3.1 Giới thiệu chung về khối FB43.
Khối hàm FB 43 được sử dụng để tạo một bộ điều khiển PID với xung
đầu ra cho cơ cấu chấp hành kiểu tỉ lệ.
Khối FB 43 có tác dụng hỗ trợ việc thiết kế một bộ điều khiển PID 2
hay 3 vị trí với bộ tạo xung theo nguyên tắc điều biên.
Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc khối FB 43
2.3.2. Mô tả FB43
Khối FB43 có tác dụng hỗ trợ việc thiết kế bộ điều khiển PID 2 hay 3 vị
trí với bộ tạo xung theo nguyên tắc điều biên.
21
21
FB 43 thường được sử dụng với FB41 để tạo ra bộ điều khiển với đầu ra
là tín hiệu xung.
Hình 2.7 Nguyên lý tạo xung của FB43
Sơ đồ của FB43 “PULSEGEN”
Hình 2.8 Sơ đồ của khối tạo xung của FB 43
a. Độ chính xác của biến thao tác (Accuracy of the Manipulated Value):
b. Sự đồng bộ hóa tự động (Automatic Synchronization).
c. Chế độ hoạt động
Chế độ “Three step control” - Điều khiển 3 vị trí
22
22
Hình 2.9 Biểu đồ đặc tính ở chế độ điều khiển 3 vị trí.
Minimum Pulse or Minimum Break Time.

Luật PID bao gồm 3 thành phần chính: Tỉ lệ (Proprtional), Tích phân
(Interval) và Vi phân (Derivative). Người ta thường nói rằng PID là tập thể
hoàn hảo gồm 3 tính cách khác nhau:
+ Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao (tỉ lệ).
+ Làm việc và tích lũy kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ (tích
phân).
+ Luôn có sáng kiến và phản ứng nhanh nhạy với sự thay đổi tình huống
trong quá trình thực hiện nhiệm vụ (vi phân).
k
p
pT
1
1
T
D
p
●
e
u
Hình 3.1 Cấu trúc bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào ra:

( ) ( ) ( )
( )





